一種新型高效空氣濾清器的設計研究

趙金國

（西京學院，陜西 西安 710123）

引言

汽車空氣濾清器位于發動機進氣系統中,它是由一個或幾個清潔空氣的濾清器部件組成的總成,主要負責清除空氣中的微粒雜質的裝置。其主要作用是濾除將要進入汽缸的空氣中的雜質，以便空氣進入發動機參與燃燒。現在汽車發動機多采用干式紙質空氣濾清器。干式空氣濾清器是通過一個干式濾芯，（如紙濾芯）將空氣中的雜質分離出來的濾清器，紙質干式空氣濾清器的濾芯采用經過樹脂處理的微孔濾紙制成，為增加過濾面積濾紙連續做V型折疊后圍成圓筒狀。空氣留過濾紙時，濾紙將雜質阻擋并粘附。由于我國南方和沿海地區由于季節的空氣濕度較大，濾紙容易受潮，導致濾清器過濾阻力增大，影響發動機進氣效率，使發動機功率下降。

本文設計了一種新型高效空氣濾清器裝置來實現潮濕度較大環境下延長發動機濾清器的使用壽命，實現了進氣系統最佳工作特性，其采用靜電除塵、水霧除塵和壓縮干燥等設計，對空氣進行了深度的過濾和干燥。由發動機ECU根據傳感器控制羅茨壓縮機壓縮空氣，以達到空氣冷凝并將水排出、提高進氣效率的目的。

1 基本結構和工作原理

1.1 基本結構

本設計適時地提供了一種高效的空氣濾清器，其結構如圖1所示。包括外罩、濾紙和中心筒。濾芯中心筒呈圓柱管狀，中心筒的筒壁上分布有若干個通孔，濾紙沿中心筒的圓周方向連續作V型折疊后圍成濾紙圓筒。外罩由一個金屬圓柱筒構成，在外罩上設有若干個圓柱體斜孔，任意一個圓柱體濾芯斜孔均貫穿外罩的筒壁，任意一個圓柱體斜孔的軸向均與外罩的軸向相交并呈小于90度的夾角。濾芯圓柱體斜孔底部設置有進氣管，進氣管上方設置有若干層靜電除塵器，每個靜電除塵器的上下表層設置有吸塵板，吸塵板通過馬達設置在滑軌上，吸塵板的表明設置有絕緣橡膠層，絕緣橡膠層上設置有吸氣孔，靜電除塵器的上方設置有過濾水槽，所過濾水槽下方設置有彎折式管路，彎折式管路上設置有補水管。這里所指過濾水槽上設置有U形溢流管，圓柱體斜孔外壁上設有補水管和U形溢流管相連接的螺紋口，過濾水槽上方設置有若干層霧化噴嘴，霧化噴嘴同心設置，各個霧化噴嘴由內到外直徑逐漸變大，霧化噴嘴與過濾水槽之間設置有加壓泵，霧化噴嘴內設置有網狀霧化板，霧化噴嘴的上方設置有羅茨壓縮機，羅茨壓縮機的出口連接有冷凝管，冷凝管的出口連接有調壓閥。濾清器裝置圓柱體斜孔的內部結構，如圖2所示。

圖1 濾清器結構示意圖

圖2 濾清器裝置圓柱體斜孔的內部結構示意圖

1.2 工作原理

當含有水分的空氣進入圓柱體斜孔后，通過靜電除塵器利用靜電吸附原理對空氣中的懸浮顆粒進行吸附，吸塵板在馬達的帶動下對靜電除塵器吸附的灰塵進行清理，通過水槽的設置，進一步除去了粉塵。彎折管路可以延長空氣在水中的過濾時間，通過加壓泵的抽取，水槽中的水通過網狀霧化板的霧化，以多層水霧向下噴灑，進一步對空氣進行過濾凈化。經過水霧凈化的空氣濕度增加，通過羅茨壓縮機壓縮后水汽的露點降低，在冷凝器管中凝結分離，沿斜孔流出，過濾后的空氣得到了干燥，到達濾紙圓筒的外圓周，再經過過濾后進入中心筒，避免了濾紙受潮，過濾水槽通過補水管路不間斷補水，U形溢流管進行溢流排水，保持過濾水槽的水潔凈度，通過調壓閥，可以控制出口氣流的壓力。

2 實驗仿真研究

空氣濾清器研究紙褶在水的作用下將如何變形和由此引起的濾芯壓降變化，我們進行了一項實驗，即在進氣中噴水來模擬雨天，在為分別裝有浸漬處理紙質濾芯和合成纖維濾芯的空氣濾清器的壓差變化的比較，水能使紙質空氣濾芯的壓差迅速提高，而對合成纖維濾芯而言影響不大。盡管浸漬保護處理但紙質濾芯會老化和變脆，所以即使車輛的行駛里程數很低濾芯的使用壽命必須限制在五年以內，因為此時在高溫和較高機械負荷作用下，不能排除空氣濾芯損傷的可能。不同粒徑粉塵的坍塌角隨環境濕度變化，如圖3所示。相對濕度小于 100%的直線部分求斜率，即可得到坍塌角隨環境濕度的增加速率[1]，如圖4所示。

圖3 不同粒徑粉塵的坍塌角隨環境濕度變化

圖4 坍塌角隨環境濕度變化速率與粒徑的關系

由圖4說明環境濕度對顆粒間作用力的影響與顆粒粒徑有關。當環境濕度越大，吸附粉塵顆粒越強，但同時也容易造成空氣濾紙越容易粘附堵塞，且當濾紙在干燥后粉塵顆粒物不易脫落。

空氣濾清器改進前、后進氣阻力與流量的關系，如圖 5所示。由此可以看出，空氣過濾器本身引起的空氣阻力是主要原因[2]。

改進前濾清器與改進后濾清器部分的壓力均值對比，如圖6所示。通過對比，發現改進后效果顯著，空氣濾清器的壓力范圍大幅度降低，空濾中空氣旋渦流動順暢，且空氣流動性能增強[3]。

圖5 改進前與改進后濾清器進氣阻力與流量的關系圖

圖6 改進前與改進后濾清器部分的壓力對比圖

3 結論

文章利用靜電除塵、水霧除塵和壓縮干燥等設計，解決了部分地區季節的空氣濕度較大地區對濾清器效用低的問題。通過仿真實驗表明，對空氣進行深度過濾和干燥等措施效果明顯，在一定程度上，提高了空氣濾清器的使用壽命和應用程序的可行性。